一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置及其控制方法，所述支撑架安装运动基体上，所述支撑架上安装有两套相互独立的可横向移动的机械臂，所述机械臂由数控系统控制，所述机械臂的运动端上安装有磨削装置，所述磨削装置包括架体、砂轮自适应反馈装置、定位靴、主轴系统和砂轮，所述架体的下方安装有主轴系统，所述主轴系统上安装有砂轮，所述架体上通过纵向伺服给进系统和纵向导轨安装有定位靴，所述纵向伺服给进系统由所述数控系统控制，所述定位靴的底部在磨削时与所述砂轮的底部处于同一水平面上，所述砂轮自适应反馈装置与所述砂轮的主轴系统连接，并且所述砂轮与钢轨摩擦磨削的变化量通过所述砂轮自适应反馈装置反馈给所述数控系统，本发明具有功能完善、工作效率高、磨削效率高及磨削精度高、自动化程度高等特点。
1.一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，包括支撑架、数控系统和用于带动支撑架与钢轨产生相对运动的运动装置，所述支撑架上设有砂轮、带动所述砂轮旋转的主轴系统和带动所述主轴系统在垂直方向运动的推动装置，其特征在于：所述支撑架上还设有与所述主轴系统连接并且接收和分析所述砂轮的扭矩反馈量的砂轮自适应反馈装置，所述推动装置向下运动时给所述主轴系统一个可控的正压力，所述推动装置上还设置有下推装置，所述下推装置的底部安装有定位靴，所述定位靴在工作时与所述砂轮均处于钢轨磨削面上，所述砂轮自适应反馈装置通过所述数控系统与所述下推装置连接，并且通过所述砂轮的扭矩反馈量控制所述下推装置上下移动的移动量。
2.根据权利要求1所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述下推装置为纵向伺服给进系统，所述纵向伺服给进系统的运动端与所述定位靴连接。
3.根据权利要求2所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述支撑架通过机械臂与架体连接，所述砂轮、主轴系统和砂轮自适应反馈装置固定在所述架体上，所述机械臂包括横向导轨、十字拖板以及由所述数控系统控制的横向伺服进给系统，所述十字拖板通过横向伺服进给系统、横向导轨安装在支撑架上，所述推动装置为油缸，所述架体通过所述油缸安装在所述十字拖板上。
4.根据权利要求3所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：侧向精密定位装置安装在所述定位靴上，所述侧向精密定位装置内部安装有使所述侧向精密定位装置始终紧贴在钢轨的内侧面的弹簧机构，所述侧向精密定位装置通过检测所述侧向精密定位装置相对移动距离的光栅传感器或电涡流位移传感器与数控系统连接并且通过数控系统控制横向伺服进给系统带动所述砂轮向内或外移动。
5.根据权利要求4所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：还包括自定位移动防护罩，所述自定位移动防护罩包括固定架和移动防护罩体，所述固定架安装在架体上，所述移动防护罩体通过自适应移动装置安装在所述固定架上，所述移动防护罩体罩设在所述砂轮上，所述自适应移动装置通过所述砂轮自适应反馈装置控制并且与所述下推装置联动。
6.根据权利要求5所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述自定位移动防护罩的固定架外安装有吸尘装置，所述吸尘装置中设置有补气口。
7.根据权利要求2或3所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：
8.根据权利要求7所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述砂轮采用外圆磨削且所述砂轮表面线速度为20-30m/s。
9.根据权利要求8所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述砂轮采用刚玉砂轮。
10.根据权利要求3所述的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述用于带动支撑架与钢轨产生相对运动的运动装置为轨道工程车，所述支撑架安装在轨道工程车的车架底板上。
11.一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置的控制方法，利用权利要求4至6之一所述的移动式数控磨削装置，其特征在于：所述主轴系统将所述主轴系统中控制所述砂轮旋转的电机的扭矩值通过所述砂轮自适应反馈装置反馈到所述数控系统中，通过与所述数控系统中的扭矩设定值进行对比得出所述砂轮磨削量是否正常，得出下推装置的上下移动量，最后数控系统控制所述下推装置使得定位靴的上下运动从而控制砂轮磨削量；
当钢轨转弯时，所述侧向精密定位装置通过电涡流位移传感器或光栅传感器将位移的变化量转换为电信号通过所述数控系统处理，然后数控系统控制横向伺服进给系统带动所述砂轮向内或外移动，从而保持砂轮始终正对钢轨表面。
适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置及其控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置及其控制方法。
背景技术
[0002] 高速铁路、地铁以及城际列车在我国正高速发展，普遍时速运行在250km以上，京津城际列车的最高时速甚至超过了350km，而钢轨是承载列车的主要基础，如此高的列车运行速度，对钢轨的表面粗糙度和平顺度等指标提出了苛刻的要求，但钢轨在高速运行状态下，磨损和病害容易加剧，这双重问题就使钢轨的病害修复成为重要内容，目前国际上钢轨修磨车主要有两种形式，一种是打磨成形，通过多头砂轮组成成型进行磨削，这种方式只能对损坏较小的钢轨进行修磨，碰到较大的损坏时，要靠人工先打磨再成型修复，同时多头砂轮的磨损难以一致，磨削精度较低；第二种则是采用铣磨车的方式，先采用成型铣刀轮进行高速铣削，然后采用宽砂轮成型磨削，消除铣削加工误差和成型接口菱角，这种方式加工精度较高，磨削范围较广，但其中的磨装置主要采用简易数控和人工控制结合的方式，工作效率低，安全隐患大。
发明内容
[0003] 本发明的目的在于克服现有技术的不足而提供一种功能完善、工作效率高、磨削效率高及磨削精度高、自动化程度高的适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置及其控制方法。
[0004] 一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置，包括支撑架、数控系统和用于带动支撑架与钢轨产生相对运动的运动装置，所述支撑架上设有砂轮、带动所述砂轮旋转的主轴系统和带动所述主轴系统在垂直方向运动的推动装置，所述支撑架上还设有与所述主轴系统连接并且接收和分析所述砂轮的扭矩反馈量的砂轮自适应反馈装置，所述推动装置向下运动时给所述主轴系统一个可控的正压力，所述推动装置上还设置有下推装置，所述下推装置的底部安装有定位靴，所述定位靴在工作时与所述砂轮均处于钢轨磨削面上，所述砂轮自适应反馈装置通过所述数控系统与所述下推装置连接，并且通过所述砂轮的扭矩反馈量控制所述下推装置上下移动的移动量。
[0005] 本发明中，所述下推装置为纵向伺服给进系统，所述纵向伺服给进系统的运动端与所述定位靴连接。
[0006] 本发明中，所述侧向精密定位装置安装在所述定位靴上，所述侧向精密定位装置内部安装有使所述侧向精密定位装置始终紧贴在钢轨的内侧面的弹簧机构，所述侧向精密定位装置通过检测所述侧向精密定位装置相对移动距离的光栅传感器或电涡流位移传感器与数控系统连接并且通过数控系统控制横向伺服进给系统带动所述砂轮向内或外移动。
[0007] 本发明中，所述支撑架通过机械臂与架体连接，所述砂轮、主轴系统和砂轮自适应反馈装置固定在所述架体上，所述机械臂包括横向导轨、十字拖板以及由所述数控系统控制的横向伺服进给系统，所述十字拖板通过横向伺服进给系统、横向导轨安装在支撑架上，所述推动装置为油缸，所述架体通过所述油缸安装在所述十字拖板上。
[0008] 本发明中，还包括自定位移动防护罩，所述自定位移动防护罩包括固定架和移动防护罩体，所述固定架安装在架体上，所述移动防护罩体通过自适应移动装置安装在所述固定架上，所述移动防护罩体罩设在所述砂轮上，所述自适应移动装置通过所述砂轮自适应反馈装置控制并且与所述下推装置联动。
[0009] 本发明中，所述自定位移动防护罩的固定架外安装有吸尘装置，所述吸尘装置中设置有补气口。
[0010] 本发明中，所述砂轮与需要磨削的钢轨设有4度～6度的夹角。
[0011] 本发明中，所述砂轮采用外圆磨削且所述砂轮表面线速度为20-30m/s。
[0012] 本发明中，所述砂轮采用刚玉砂轮。
[0013] 本发明中，所述用于带动支撑架与钢轨产生相对运动的运动装置为轨道工程车，所述支撑架安装在轨道工程车的车架底板上。
[0014] 一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置的控制方法，所述主轴系统将所述主轴系统中控制所述砂轮旋转的电机的扭矩值通过所述砂轮自适应反馈装置反馈到所述数控系统中，通过与所述数控系统中的扭矩设定值进行对比得出所述砂轮磨削量是否正常，得出下推装置的上下移动量，最后数控系统控制所述下推装置使得定位靴的上下运动从而控制砂轮磨削量；
[0015] 当钢轨转弯时，所述侧向精密定位装置通过电涡流位移传感器或光栅传感器将位移的变化量转换为电信号通过所述数控系统处理，然后数控系统控制横向伺服进给系统带动所述砂轮向内或外移动，从而保持砂轮始终正对钢轨表面。
[0016] 采用上述方案，本装置具有如下优点：
[0017] 1、将本装置直接安装在运动基体(这里的运动基体为轨道工程车或其它在钢轨上运动的载体)上，采用磨床移动的运动式磨削方式，实现对钢轨等长条零件的精密磨削，随车磨削不需要额外的人力物力，使用方便。
[0018] 2、应用砂轮自适应反馈装置通过定位靴和侧向精密定位装置控制砂轮在上下坡和转弯时能自适应钢轨的变化，砂轮自适应反馈装置通过下推装置使得定位靴的上下运动从而控制砂轮磨削量；侧向精密定位装置将位移变化转换为电信号，通过计算机程序控制，由横向伺服电机驱动砂轮向内或外移动，从而保持砂轮始终正对钢轨表面，从而实现闭环控制砂轮的磨削进给，在砂轮磨损和磨削余量不均匀时，砂轮自动进退，实现恒磨除量磨削。
[0019] 3、采用自定位移动防护罩全包络砂轮和磨削区域，并通过吸尘装置自动收集粉尘，实现无尘和安全磨削。
[0020] 4、砂轮与需要磨削的钢轨设有4度～6度的夹角，这样随着轨道工程车的前行，砂轮始终成一个角度磨削钢轨表面，可以使整个砂轮横剖面与钢轨的凸形横剖面全面接触，并使砂轮与钢轨接触面形状相匹配；可以使砂轮相对钢轨的磨削接触面积增加，减少砂轮单位时间损耗的材料量，减少磨削发热和砂轮的局部不均匀磨损。
附图说明
[0021] 图1为本发明的主视图。
[0022] 图2为本发明的后视图。
[0023] 图3为本发明的左视图。
具体实施方式
[0024] 下面结合附图，详细说明一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置及其控制方法的具体实施方式。
[0025] 如图1、2、3，一种适用于钢轨修磨的移动式数控磨削装置包括横向导轨1、横向伺服进给系统2、支撑架3、纵向伺服给进系统4、油缸5、砂轮自适应反馈装置6、自定位移动防护罩7、吸尘装置8、主轴系统9、砂轮10、侧向精密定位装置11、定位靴12、十字拖板13、纵向导轨14、钢轨15等零部件，所述支撑架上安装有两套相互独立的可横向自由移动的机械臂，所述机械臂由数控系统控制，所述机械臂上安装有磨削装置，所述机械臂包括横向导轨1、十字拖板13以及由所述数控系统控制的横向伺服进给系统2，所述十字拖板13通过横向导轨1安装在支撑架3上，所述横向伺服进给系统2控制所述十字拖板13的横向运动，从而完成砂轮左右移动功能，所述架体通过所述纵向导轨14安装在所述十字拖板13上，并且通过安装在所述十字拖板13上方的油缸5实现架体的上下移动，从而控制砂轮9上下移动，所述油缸向上可以承受整个架体的自重力，向下可以给予架体一个可控的正压力，所述架体的下方安装有主轴系统9，所述主轴系统9上安装有砂轮10，所述砂轮10与需要磨削的钢轨15设有4度～6度的夹角，所述架体上固定有纵向伺服给进系统4，所述纵向伺服给进系统4的活塞端安装有定位靴12，所述定位靴12由纵向伺服给进系统4控制相对砂轮
10位置移动，定位靴12底部在磨削时与所述砂轮10的底部处于同一水平面上，定位靴12始终与钢轨15表面接触，承受由纵向伺服给进系统4给予的向下正压力，由定位靴12的上下移动控制砂轮10相对钢轨15表面进刀和退刀，所述定位靴12的移动则由砂轮自适应反馈装置6来控制，所述砂轮自适应反馈装置6与砂轮10的主轴系统9连接，所述主轴系统9将所述主轴系统9中控制所述砂轮10旋转的电机的扭矩值反馈到所述砂轮自适应反馈装置6中，通过与所述砂轮自适应反馈装置6中的扭矩设定值进行对比得出所述砂轮10磨削量是否正常，再将反馈值反馈到数控系统，数控系统控制所述纵向伺服给进系统4的定位靴12上下运动距离来控制砂轮磨削量，当砂轮10磨损或者钢轨15上坡和下坡引起磨削量产生变化时，所述砂轮自适应反馈装置6将感应磨削扭矩的变化，并发出相应信号传输给数控系统，由数控系统控制纵向伺服给进系统4使得定位靴12上下移动，从而控制砂轮10的上下移动，保证对钢轨15的恒磨除量磨削。
[0026] 所述侧向精密定位装置11安装在定位靴12上，内部装有弹簧机构，使侧向精密定位装置11始终紧贴在钢轨15的内侧面，当钢轨15进入弯道时，侧向精密定位装置11会产生相对移动，其移动距离通过光栅传感器检测读数后输入到数控系统，由数控系统控制整个定位靴12和砂轮10部分向弯道方向移动，从而保证砂轮10随着钢轨15的弯道自动跟随移动。
[0027] 在整个移动磨削过程中，用所述自定位移动防护罩7的固定架部分安装在架体上，移动防护罩体部分通过自适应移动装置安装在固定架上，移动防护罩体的底面始终靠在钢轨15表面，依靠自重可随着砂轮10的磨损变小，自动移动定位，始终将砂轮10保护在一个封闭的空间中，自适应移动装置通过所述砂轮自适应反馈装置6控制并且与所述纵向伺服给进系统4联动，所述吸尘装置8安装在自定位移动防护罩7的固定架上，实时将磨削粉尘抽走，为防止形成真空，吸尘装置8中设置有补气口。
[0028] 上述横向导轨1、纵向导轨14、横向伺服进给系统2和纵向伺服进给系统4的各轴移动既可以单轴控制，也可以多通道同时联动控制，支撑采用直线滚柱导轨支撑，驱动采用丝杆驱动，横向导轨1、纵向导轨14具有极限位置定位，两重位置检测和反馈装置，确保直线轴的移动安全和磨削定位。
[0029] 主轴系统9采用滚动轴承结构，皮带传动，砂轮表面线速度为20-30m/s，砂轮采用刚玉砂轮，外圆磨削，砂轮外圆表面按照轨道形状定制，整个磨削过程中不再修整。
[0030] 上述油缸向上可以承受整个架体的自重力，向下可以给予架体一个可控的正压力，可控的正压力具体是指架体在油缸的支撑下可以依靠其自重向下运动，而且这个向下运动通过油缸起一个支撑和缓冲的作用，使得架体是匀速下落，这样使得砂轮10可以一直保持在钢轨15上，当架体下行到油缸限定位置后，可通过油缸提升，砂轮10贴向轨道表面，通过将主轴系统9中控制所述砂轮10旋转的电机的扭矩值反馈到所述砂轮自适应反馈装置6中，一方面，与所述砂轮自适应反馈装置6中的扭矩设定值进行对比得出所述砂轮10磨削量是否正常，再将反馈值反馈到数控系统，数控系统控制所述纵向伺服给进系统4使得定位靴12上下运动，当砂轮正常磨削时，电机扭矩为设定值，当砂轮磨损，磨削余量减小时，电机扭矩将减小与设定值之间存在一个差值，当差值到达一定极限值后，数控系统将发出指令，控制纵向伺服进给系统4带动定位靴12向上移动，砂轮在自重作用下进给，当磨削余量增加，电机扭矩值到达正常范围时，纵向伺服进给系统4停止进给，以此类推，当磨削余量突然增加，电机扭矩值升高到设定安全值时，系统将认为是砂轮10产生碰撞，控制纵向伺服进给系统4带动定位靴12迅速向下进给，抬起砂轮10，起到安全保护作用。
[0031] 磨削过程为干磨削，在砂轮外部设有砂轮防护装置6，后部开设吸尘口，将磨削和砂轮灰尘吸收。
[0032] 所述数控系统采用西门子840D数控系统、611D驱动系统和S7PLC进行驱动控制。
[0033] 基本工作原理如下：
[0034] 磨床通过支撑架3整体倒立式安装在火车的车身底部，砂轮10与钢轨15直线方向成一定角度(4-6°)斜置，安装在十字拖板13上，由横向伺服进给系统2驱动将砂轮10对准钢轨15，通过油缸5将整个主轴系统9向下靠近钢轨表面，直到定位靴12压在钢轨15表面上，采用纵向伺服给进系统4驱动定位靴12上下移动，间接控制砂轮10的上下移动，而定位靴12的移动动作，又通过砂轮自适应反馈装置6来控制，当砂轮磨损或者钢轨出现上坡、下坡和不规则突起时，其实际磨除量会产生变化，自适应反馈装置可通过检测磨削扭矩变化等方式，自动控制定位靴12的上下移动间接控制砂轮的进刀和退刀，从而实现砂轮不需要修正，依靠自锐进行精确定位磨削，整个磨床系统跟随火车向前运动，两个砂轮在前进运动过程中，采用“喂刀”方式完成自动钢轨修磨，当钢轨进入弯道时，磨床可通过侧向精密定位装置11来控制横向伺服进给系统实时移动，以保证砂轮10始终覆盖钢轨15全表面磨削。整个磨削过程采用干磨削方式，自定位移动防护罩7将砂轮10和磨削区域始终全包络，并通过吸尘装置8自动收集磨削粉尘，既环保又安全。
